JP2009230869A - Gas diffusion layer for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池、特に、固体高分子型燃料電池に採用されるガス拡散層に関する。 The present invention relates to a gas diffusion layer employed in a fuel cell, in particular, a polymer electrolyte fuel cell.
従来から、例えば、下記特許文献1に示すような燃料電池は知られている。この従来の燃料電池においては、カーボンまたは金属から形成されてガス導入機能を有するとともに発電された電気を集電する集電体から電極・電解質接合体を構成する触媒層に向かって、開口径が減少するようにカーボンまたは金属から形成される多孔質層を積層した積層体を拡散層として用いるようになっている。これにより、触媒層全体に反応ガスを効率よく供給することができ、高出力、高エネルギー効率の燃料電池が得られるようになっている。 Conventionally, for example, a fuel cell as shown in Patent Document 1 below is known. In this conventional fuel cell, an opening diameter is formed from a current collector that is formed of carbon or metal and has a gas introduction function and collects the generated electricity toward the catalyst layer that constitutes the electrode / electrolyte assembly. A laminate in which a porous layer formed of carbon or metal is laminated so as to decrease is used as a diffusion layer. As a result, the reaction gas can be efficiently supplied to the entire catalyst layer, and a fuel cell with high output and high energy efficiency can be obtained.
ところで、燃料電池に関しては、発電向上させることはいうまでもなく、耐久性を十分に確保しつつ安価で軽量な電池を開発することも盛んに研究されている。ここで、上記従来の燃料電池においては、集電体がガス導入機能を有するために、例えば、金属製の集電体を採用した場合には燃料電池の重量増加が懸念される。また、拡散層を金属製の多孔質層を用いて形成した場合には、触媒層に対して溶出した金属イオンによって燃料電池の耐久性が損なわれる可能性がある。一方、集電体および拡散層をカーボン製とすることにより、これら懸念事項は解消するものの、例えば、カーボン製の多孔質材料を製造するためには、高温雰囲気が必要となるために製造コストが増大し、その結果、燃料電池自体が高価となる場合がある。 By the way, as for the fuel cell, it goes without saying that the power generation is improved, and the development of an inexpensive and lightweight battery while ensuring sufficient durability has been actively studied. Here, in the conventional fuel cell, since the current collector has a gas introduction function, for example, when a metal current collector is employed, there is a concern about an increase in the weight of the fuel cell. Further, when the diffusion layer is formed using a metal porous layer, the durability of the fuel cell may be impaired by metal ions eluted from the catalyst layer. On the other hand, by making the current collector and the diffusion layer made of carbon, these concerns can be solved. However, for producing a porous material made of carbon, for example, a high temperature atmosphere is required, and thus the production cost is low. As a result, the fuel cell itself may be expensive.
このような問題に対して、例えば、下記特許文献2および下記特許文献3に示すように、ガス導入機能を有するセパレータと拡散層とを多孔質樹脂材料を用いて形成することが有効である。これにより、耐久性を確保できて、安価で軽量な燃料電池が得られると考えられる。
ところで、一般的に、樹脂材料の導電性は金属材料やカーボン材料に比して劣るといわれている。この場合、例えば、上記特許文献3に示されているように、樹脂材料中に導電体を添加することにより、樹脂材料の導電性は幾分改善されるものの、十分な導電性を有するとはいい難い。さらに、樹脂材料を用いて拡散層とセパレータを形成した場合には、電極・電解質接合体(電極構造体)における電極反応によって発電された電気が触媒層(電極触媒層)から拡散層およびセパレータを介して出力されるため、各部材間の接触抵抗が加わり、発電された電気を効率よく出力することができない可能性がある。なお、上記特許文献2には、セパレータに対して導電性ピンを設けておき、発電された電気を外部に効率よく出力することが示されているが、この場合、導電性ピンは、ガス拡散材(カーボンペーパーやカーボンクロス)と集電板との両方に接触することになる。特に、薄いガス拡散材と導電性ピンとの接触は、触媒層(電極触媒層)の表面状態に起因して接触面積が小さくなる可能性が高く、その結果、接触抵抗がより増大する可能性がある。
By the way, it is generally said that the conductivity of a resin material is inferior to that of a metal material or a carbon material. In this case, for example, as shown in Patent Document 3 described above, by adding a conductor to the resin material, the conductivity of the resin material is somewhat improved, but it has sufficient conductivity. It ’s not good. Furthermore, when the diffusion layer and the separator are formed using a resin material, the electricity generated by the electrode reaction in the electrode / electrolyte assembly (electrode structure) is transferred from the catalyst layer (electrode catalyst layer) to the diffusion layer and separator. Therefore, there is a possibility that the contact resistance between the members is added and the generated electricity cannot be output efficiently. In addition, although the said
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、非導電性の多孔質樹脂材料から形成しても導電性を良好に確保することができる燃料電池用ガス拡散層を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to provide a gas diffusion for fuel cells that can ensure good conductivity even when formed from a non-conductive porous resin material. To provide a layer.
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、燃料電池の電極構造体を構成する電極触媒層と前記電極構造体によって発電された電気を集電する集電体との間に配置されて、前記電極触媒層に対して所定のガスを拡散して供給するための燃料電池用ガス拡散層において、非導電性の多孔質樹脂材料から形成されて、前記所定のガスを拡散させて導通する平板状の本体と、前記本体の前記電極触媒層に対向する対向面に形成されて、この対向面における開口の半径よりも小さな膜厚とされた導電性を有する薄膜層と、前記薄膜層と同一材料から形成されて、前記本体を貫通して前記電極触媒層と接触する前記薄膜層と前記集電体とを電気的に接続する導電部材とを備えていて、前記薄膜層と前記導電部材とを一体的に接合したことにある。この場合、前記薄膜層と前記導電部材とは、例えば、カーボンから形成されるとよい。 In order to achieve the above object, a feature of the present invention is that it is disposed between an electrode catalyst layer constituting an electrode structure of a fuel cell and a current collector that collects electricity generated by the electrode structure. In the gas diffusion layer for a fuel cell for diffusing and supplying a predetermined gas to the electrode catalyst layer, the fuel cell gas diffusion layer is formed of a non-conductive porous resin material, and diffuses the predetermined gas to be conductive. A flat main body, a thin film layer formed on an opposing surface of the main body facing the electrode catalyst layer and having a thickness smaller than a radius of an opening on the opposing surface; and the thin film layer, A conductive member that is formed of the same material and that electrically connects the current collector and the thin film layer that is in contact with the electrode catalyst layer through the main body; and the thin film layer and the conductive member Is integrally joined. In this case, the thin film layer and the conductive member may be formed of carbon, for example.
これらによれば、ガス拡散層を安価で軽量な非導電性の多孔質樹脂材料を用いて形成することができる。これにより、金属イオンの溶出がなく、燃料電池の耐久性を十分に確保することができる。また、非導電性の多孔質樹脂材料から形成されるガス拡散層の導電性を確保するために、本体の電極触媒層に対向する対向面上にて、例えば、優れた導電性を有するカーボンを用いた薄膜層を形成することができる。ここで、対向面に対して導電性を有する薄膜層を形成することにより、電極触媒層と薄膜層との接触状態(接触面積)を良好に確保することができる。これにより、発電された電気(より詳しくは、電極反応によって発生した電子)を、電極触媒層から薄膜層に、または、薄膜層から電極触媒層に損失を低減して伝達することができる。 According to these, the gas diffusion layer can be formed using an inexpensive and light non-conductive porous resin material. Thereby, there is no elution of metal ions, and the durability of the fuel cell can be sufficiently ensured. In addition, in order to ensure the conductivity of the gas diffusion layer formed from a non-conductive porous resin material, for example, carbon having excellent conductivity is formed on the opposing surface of the main body facing the electrode catalyst layer. The used thin film layer can be formed. Here, the contact state (contact area) between the electrode catalyst layer and the thin film layer can be satisfactorily ensured by forming a thin film layer having conductivity with respect to the opposing surface. Thereby, the generated electricity (more specifically, electrons generated by the electrode reaction) can be transmitted from the electrode catalyst layer to the thin film layer or from the thin film layer to the electrode catalyst layer with reduced loss.
また、薄膜層を形成するにあたっては、その膜厚が対向面における開口の半径よりも小さくなるように形成される。これにより、形成された薄膜層が対向面における開口を塞ぐことを防止でき、本体内を導通する所定のガス(燃料ガスまたは酸化剤ガス)を電極触媒層に対して十分に供給することができる。 Moreover, when forming a thin film layer, it forms so that the film thickness may become smaller than the radius of the opening in an opposing surface. Accordingly, the formed thin film layer can be prevented from closing the opening on the opposing surface, and a predetermined gas (fuel gas or oxidant gas) that conducts in the main body can be sufficiently supplied to the electrode catalyst layer. .
また、形成される薄膜層に対して、同一材料(例えばカーボン)から形成される導電部材を一体的に接合することができるため、薄膜層と導電部材との間の接触抵抗をほぼ「0」とすることができる。したがって、発電された電気(より詳しくは、電極反応によって発生した電子)を、薄膜層から導電部材に、または、導電部材から薄膜層に損失なく伝達することができる。そして、導電部材は、本体を貫通して薄膜層と集電体とを電気的に接続できるため、集電体を介して、発電された電気を効率よく出力することができる。 In addition, since the conductive member formed of the same material (for example, carbon) can be integrally bonded to the formed thin film layer, the contact resistance between the thin film layer and the conductive member is substantially “0”. It can be. Therefore, the generated electricity (more specifically, electrons generated by the electrode reaction) can be transmitted without loss from the thin film layer to the conductive member or from the conductive member to the thin film layer. And since a conductive member can penetrate a main body and can electrically connect a thin film layer and a collector, it can output generated electricity efficiently via a collector.
また、前記薄膜層は、例えば、前記導電部材が前記本体を貫通した状態で、前記本体の前記対向面に形成されるとよい。これによれば、導電部材に対して確実に一体的に接合させて薄膜層を形成することができる。したがって、ガス拡散層の導電性を良好に確保することができる。 Moreover, the said thin film layer is good to be formed in the said opposing surface of the said main body in the state in which the said electrically-conductive member penetrated the said main body, for example. According to this, the thin film layer can be formed by being integrally bonded to the conductive member. Therefore, the conductivity of the gas diffusion layer can be ensured satisfactorily.
そして、この場合には、前記薄膜層は、前記本体の前記対向面に蒸着によって形成されるとよい。これによれば、薄膜層と導電部材とを確実に一体的に接合させることができるとともに、均一の層厚を有する平滑な薄膜層を形成することができる。したがって、電極触媒層と薄膜層の接触状態(接触面積)をより良好に確保できて、ガス拡散層の導電性を良好に確保することができる。また、均一の層厚を確保できるため、薄膜層が対向面の開口を塞ぐことをより確実に防止することもできる。 In this case, the thin film layer may be formed by vapor deposition on the facing surface of the main body. According to this, the thin film layer and the conductive member can be reliably joined together, and a smooth thin film layer having a uniform layer thickness can be formed. Therefore, the contact state (contact area) between the electrode catalyst layer and the thin film layer can be secured better, and the conductivity of the gas diffusion layer can be secured better. In addition, since a uniform layer thickness can be ensured, it is possible to more reliably prevent the thin film layer from blocking the opening on the opposite surface.
また、前記導電部材は、前記本体に対して複数設けられるとよい。これによれば、導電部材と集電体との接触部位、言い換えれば、接触面積を増加させることができるため、導電部材と集電体との間の接触抵抗をより低減することができる。したがって、集電体を介して、発電された電気をより効率よく出力することができる。 The conductive member may be provided in a plurality with respect to the main body. According to this, since the contact portion between the conductive member and the current collector, in other words, the contact area can be increased, the contact resistance between the conductive member and the current collector can be further reduced. Therefore, the generated electricity can be output more efficiently through the current collector.
そして、この場合には、前記導電部材は、例えば、棒状に形成されており、前記本体に形成された複数の貫通孔に対して圧入されて複数設けられるとよい。これによれば、例えば、棒状に形成された導電部材を本体に形成された貫通孔に圧入することができるため、導電部材の本体に対する変位を規制することができる。これにより、燃料電池を形成した場合であっても、薄膜層と集電体とに対する導電部材の接触状態(特に、導電部材と集電体との間の接触状態)を良好に維持することができる。したがって、発電された電気を長期間に渡り、効率よく出力することができる。 In this case, the conductive member is formed in a rod shape, for example, and is preferably press-fitted into a plurality of through holes formed in the main body. According to this, for example, since the conductive member formed in a bar shape can be press-fitted into the through hole formed in the main body, the displacement of the conductive member with respect to the main body can be regulated. Thereby, even when the fuel cell is formed, the contact state of the conductive member with respect to the thin film layer and the current collector (particularly, the contact state between the conductive member and the current collector) can be satisfactorily maintained. it can. Therefore, the generated electricity can be output efficiently over a long period of time.
また、前記本体は、前記集電体から前記電極触媒層に向けて開口の半径が大きくなる多孔質樹脂材料から形成されるとよい。これによれば、本体は、電極構造体における電極反応によって、特にカソード電極側で生成される余分な水を電極触媒層から離れた位置まで吸水することができる。また、本体の対向面における開口の半径が大きくなることにより、薄膜層が形成されても、開口が塞がれることを効果的に防止することもできる。したがって、本体は、電極触媒層に対して所定のガスを良好に供給することができ、その結果、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。 The main body may be formed of a porous resin material having an opening radius that increases from the current collector toward the electrode catalyst layer. According to this, the main body can absorb excess water generated particularly on the cathode electrode side to a position away from the electrode catalyst layer by an electrode reaction in the electrode structure. Further, since the radius of the opening on the opposing surface of the main body is increased, it is possible to effectively prevent the opening from being blocked even if a thin film layer is formed. Therefore, the main body can satisfactorily supply a predetermined gas to the electrode catalyst layer, and as a result, a decrease in power generation efficiency of the fuel cell can be suppressed.
そして、この場合には、前記本体は、前記電極触媒層側に配置されて開口の半径の大きい第1の多孔質樹脂材料から形成される第1層と、前記集電体側に配置されて前記第1の多孔質材料よりも開口の半径の小さい第2の多孔質樹脂材料から形成される第2層とを含んで構成されるとよい。これによれば、極めて容易にかつ安価に電極触媒層側と集電体側とで、本体における開口の半径を異ならせることができる。したがって、この場合においても、本体は、電極触媒層に対して所定のガスを良好に供給することができ、その結果、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。 In this case, the main body is disposed on the electrode catalyst layer side and is formed on the current collector side with the first layer formed of the first porous resin material having a large opening radius. It is good to comprise including the 2nd layer formed from the 2nd porous resin material whose opening radius is smaller than the 1st porous material. According to this, the radius of the opening in the main body can be made different between the electrode catalyst layer side and the current collector side very easily and inexpensively. Therefore, also in this case, the main body can supply a predetermined gas to the electrode catalyst layer satisfactorily, and as a result, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency of the fuel cell.
また、本発明の他の特徴は、前記電極触媒層が層内で電気的に分割されており、前記薄膜層および前記集電体を、前記分割された電極触媒層に対応して電気的に分割することにもある。これによれば、燃料電池内にて電気的に直列、並列に接続したり、燃料電池内にて電圧を異ならせたりすることが可能となる。したがって、例えば、燃料電池の設置スペースなどに制限がある場合であっても、1つの燃料電池で要求される電気を供給できる。 Another feature of the present invention is that the electrode catalyst layer is electrically divided within the layer, and the thin film layer and the current collector are electrically connected to the divided electrode catalyst layer. There is also to divide. According to this, it becomes possible to connect in series and in parallel in the fuel cell, or to change the voltage in the fuel cell. Therefore, for example, even when the installation space of the fuel cell is limited, the electricity required by one fuel cell can be supplied.
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明に係るガス拡散層を採用した固体高分子型燃料電池の単セルTの主要部分を概略的に示している。単セルTは、電極構造体としてのMEA(Membrane-Electrode Assembly:膜−電極アッセンブリ)10と、燃料電池の外部から導入された燃料ガス(例えば、水素ガス)および酸化剤ガス(例えば、空気)を導通するとともに拡散してMEA10に供給するガス拡散層20と、MEA10による電極反応によって発電された電気を集電する集電体としての集電板30と、図示しない樹脂フレーム(ガスケット)から構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a main part of a single cell T of a polymer electrolyte fuel cell employing a gas diffusion layer according to the present invention. The unit cell T includes an MEA (Membrane-Electrode Assembly) 10 as an electrode structure, a fuel gas (for example, hydrogen gas) and an oxidant gas (for example, air) introduced from the outside of the fuel cell. The
MEA10は、図1に示すように、電解質膜11を備えている。電解質膜11は、水素イオン(H+)を選択的に透過するイオン交換膜(例えば、デュポン社製ナフィオン(登録商標)など)から形成されるものである。そして、電解質膜11の燃料ガスが供給される面すなわちアノード電極側における電極触媒層としての触媒層12が形成され、酸化剤ガスが供給される面すなわちカソード電極側における電極触媒層としての触媒層13が形成されている。
The
アノード電極側の触媒層12およびカソード電極側の触媒層13は、貴金属触媒(例えば、白金など)を担持したカーボン(以下、担持カーボンという)を主成分として形成されるものである。そして、触媒層12,13は、溶媒中に分散させた担持カーボンを電解質膜11の両面に塗布した後、例えば、ホットプレスなどによって層状に形成される。このように形成される触媒層12は、供給された燃料ガスすなわち水素ガスを水素イオン(H+)と電子とに電離させる。また、触媒層13は、供給された酸化剤ガスすなわち空気中の酸素と、アノード電極側から電解質膜11を透過した水素イオン(H+)と、アノード電極側の触媒層12から供給される電子とから水を生成する。
The catalyst layer 12 on the anode electrode side and the catalyst layer 13 on the cathode electrode side are formed mainly of carbon (hereinafter referred to as supported carbon) supporting a noble metal catalyst (for example, platinum). The catalyst layers 12 and 13 are formed in layers by, for example, hot pressing after applying supported carbon dispersed in a solvent on both surfaces of the
カス拡散層20は、図2にて一部を拡大して示すように、本体21と、薄膜層としてのカーボン薄膜層22と、導電部材としてのカーボン棒23とから構成されている。本体21は、非導電性の多孔質樹脂材料(例えば、三菱樹脂株式会社製フィルダス(登録商標)など)から形成され、例えば、2mm程度の厚みを有するものである。そして、本体21は、図2に示すように、第1層21aと第2層21bとを有する積層構造とされている。MEA10側に配置される第1層21aは、開口の半径(平均半径)が大きな(例えば、10μm程度)第1多孔質樹脂材料から形成されており、集電板30側に配置される第2層21bは、開口の半径が第1多孔質樹脂の開口の半径よりも小さな(例えば、1μm程度)第2多孔質樹脂材料から形成されている。また、本体21には、第1層21aと第2層21bの積層方向にて開口する複数の貫通孔21cが形成されている。
As shown in a partially enlarged view in FIG. 2, the
カーボン薄膜層22は、例えば、周知のスパッタリング法により、本体21を構成する第1層21aのMEA10に対向する面(対向面)上にカーボンを蒸着して形成され、例えば、2μm程度の膜厚を有するものである。ここで、形成されるカーボン薄膜層22の膜厚は、第1多孔質樹脂材料における開口の半径に比して小さく設定されている。このため、カーボン薄膜層22が形成された後であっても、対向面における開口が完全に塞がれることが防止されるようになっている。
The carbon
カーボン棒23は、本体21に形成された貫通孔21cに比して僅かに大きな外形寸法を有するとともに、本体21の厚み寸法に比して僅かに大きな長さを有している。そして、カーボン棒23は、本体21の貫通孔21cに対して圧入されるようになっている。そして、カーボン棒23は、カーボン薄膜22と一体的に接合されるようになっている。以下、この接合について説明しておく。
The
ガス拡散層20を作製するにあたっては、まず、カーボン棒23を本体21の貫通孔21cのそれぞれに圧入しておく。次に、カーボン棒23が圧入された本体21に対して、スパッタリング法により、カーボンを対向面上に蒸着してカーボン薄膜層22を形成する。ここで、スパッタリング法によれば、カーボン母材をターゲットとすることにより、このカーボン母材の表面から炭素原子が弾き飛ばされ、本体21の対向面に到達した炭素原子はカーボン薄膜層22を形成することができる。このとき、飛来する炭素原子がカーボン棒23と同一であるため、カーボン棒23と衝突した炭素原子は一体化しながらカーボン薄膜層22を形成する。すなわち、カーボン薄膜層22とカーボン棒23とが同一材料(カーボン)であるため、カーボン薄膜層22とカーボン棒23との間に界面を形成することなく一体化して接合することができる。
In producing the
なお、本実施形態においては、スパッタリング法を用いてカーボンを蒸着させてカーボン薄膜層22を形成するように実施するが、他の方法(例えば、イオンプレーティング法など)を用いて、本体21の対向面上にカーボン薄膜層22を蒸着によって形成するように実施することも可能である。このように、他の方法を用いて蒸着によりカーボン薄膜層22を形成する場合であっても、カーボン薄膜層22とカーボン棒23との間に界面を形成することなく一体化して接合することができる。
In the present embodiment, the carbon
また、本実施形態においては、カーボンを蒸着させてカーボン薄膜層22を形成するように実施するが、例えば、カーボンを塗布することにより、本体21の対向面上にカーボン薄膜層22を形成するように実施することも可能である。この場合には、塗布されたカーボンとの間に界面が形成される場合があるが、同一材料であるため、カーボン薄膜層22とカーボン棒23とを一体的に接合することができる。
In this embodiment, the carbon
集電板30は、燃料電池の外部から導入される燃料ガスおよび酸化剤ガスとの混流を防止する機能と、MEA10における電極反応によって発電された電気を集電する機能とを有するものである。また、構成によっては、燃料電池を冷却する冷却水が単セルT内に浸入することを防止する機能をも有する。このため、集電板30は、例えば、ステンレス薄板から形成されていて、ガス拡散層20を介装した状態でMEA10を挟持するようになっている。このようにMEA10およびガス拡散層20を挟持することにより、集電板30は、図1に示したように、ガス拡散層20のカーボン棒23と当接した状態となる。これにより、集電板30は、ガス拡散層20の導電性に優れたカーボン薄膜層22およびカーボン棒23を介してMEA10と電気的に接続されるため、発電された電気を効率よく集電して外部に出力することができる。
The
なお、集電板30としては、上述したステンレス薄板に代えて、例えば、金めっきやニッケルめっきなどの防食処理を施した薄板鋼板などから形成することも可能である。また、集電板30は、金属に代えて、例えば、導電性に優れたカーボンなど非金属の薄板から形成することも可能である。
The
このように構成された単セルTは、燃料電池の要求出力に応じて複数積層され、燃料電池のスタックを形成する。そして、燃料電池スタックに対して、燃料ガスと酸化剤ガスが導入されると、各単セルTのMEA10のアノード電極側とカソード電極側にて電極反応が生じることによって発電する。以下、この電極反応について説明する。
A plurality of single cells T configured as described above are stacked according to the required output of the fuel cell to form a stack of fuel cells. When the fuel gas and the oxidant gas are introduced into the fuel cell stack, power is generated by causing an electrode reaction on the anode electrode side and the cathode electrode side of the
上述したように、MEA10の電解質膜11が水素イオン(H+)を選択的に透過するイオン交換膜で形成された固体高分子型燃料電池においては、燃料ガス(水素ガス)および酸化剤ガス(空気)が供給されると、アノード電極側の触媒層12とカソード電極側の触媒層13にて、それぞれ下記の化学反応式1,2で示される反応が起きる。
アノード電極側:H2→2H++2e− …化学反応式1
カソード電極側:2H++2e−+(1/2)O2→H2O …化学反応式2
As described above, in the polymer electrolyte fuel cell in which the
Anode electrode side: H 2 → 2H + + 2e − … chemical reaction formula 1
Cathode electrode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O…
具体的に、アノード電極側の触媒層12における電極反応から説明すると、燃料電池の外部から導入された水素ガスは、集電板30によって空気との混流が防止された状態で、ガス拡散層20の本体21内を導通する。このとき、本体21は多孔質樹脂材料から形成されているため、燃料ガスは本体21内を導通することによって適切に拡散されて、対向面からMEA10の触媒層12に供給される。ここで、本体21の対向面においては、カーボン薄膜層22の膜厚が対向面における開口の半径よりも小さくなるように、言い換えれば、開口を塞がないように形成されているため、水素ガスは、触媒層12の全面に渡って供給される。これにより、前記化学反応式1が生じて、水素ガスは水素イオン(H+)と電子に電離される。そして、電離した水素イオン(H+)はMEA10の電解質膜11を透過してカソード電極側に移動し、電離した電子は、図示しない外部回路を介してカソード電極側の触媒層13に供給される。
Specifically, the electrode reaction in the catalyst layer 12 on the anode electrode side will be described. Hydrogen gas introduced from the outside of the fuel cell is prevented from being mixed with air by the
ところで、触媒層12はガス拡散層20のカーボン薄膜層22の全面と接触している。このため、電離した電子は、触媒層12から導電性に優れるカーボン薄膜層22に極めて容易に移動することができる。また、カーボン薄膜層22とカーボン棒23とは、ともにカーボンから形成されるものであり、かつ、一体化して接合されている。これにより、カーボン薄膜層22に移動した電子は極めて容易にカーボン棒23を移動して集電板30まで移動することができる。そして、カーボン棒23は複数設けられているため、カーボン棒23と集電板30との間の接触状態(接触面積)が良好に確保されている。このため、カーボン棒23と集電板30との間の接触抵抗が小さくなり、電子はカーボン棒23から集電板30に向けて容易に移動し、外部回路を介してカソード電極側の触媒層13における電極反応に十分な電子を移動させることができる。
Incidentally, the catalyst layer 12 is in contact with the entire surface of the carbon
次に、カソード電極側の触媒層13における電極反応を説明する。燃料電池の外部から導入された空気は、集電板30によって水素ガスとの混流が防止された状態で、ガス拡散層20の本体21内を導通する。このとき、本体21は多孔質樹脂材料から形成されているため、アノード電極側に供給される燃料ガスと同様に、空気は本体21内を導通することによって適切に拡散されて、対向面からMEA10の触媒層13の全面に渡って供給される。これにより、前記化学反応式2が生じて、供給された空気中の酸素と、アノード電極側から電解質膜11を透過した水素イオン(H+)と、アノード電極側の触媒層12から供給される電子とから水を生成する。
Next, an electrode reaction in the catalyst layer 13 on the cathode electrode side will be described. The air introduced from the outside of the fuel cell is conducted through the
ここで、カソード電極側においても、ガス拡散層20は、アノード電極側と同一の構成とされている。このため、外部回路を介して供給された電子は、集電板30からカーボン棒23に向けて容易に移動できる。また、カーボン棒23とカーボン薄膜層22とは一体化して接合されているため、電子はカーボン棒23からカーボン薄膜層22に極めて容易に移動することができる。さらに、カーボン薄膜層22は触媒層13の全面と接触している。このため、アノード電極側の触媒層12から供給された電子は、カーボン薄膜層22から触媒層13に極めて容易に移動することができる。これにより、前記化学反応式1,2によって表わされる電極反応は、水素ガスおよび空気が供給される限り、適切に生じ、その結果、燃料電池は電気を発電することができる。
Here, also on the cathode electrode side, the
ところで、前記化学反応式1によって表わされる電極反応が生じると、アノード電極側の触媒層12で電離される水素イオン(H+)は、カソード電極側に向けて電解質膜11中を水とともに移動する。言い換えれば、水素イオン(H+)は、電解質膜11中に保水されている水と水和することにより、アノード電極側からカソード電極側に移動する。このため、上述した電極反応の進行に伴って、アノード電極側における電解質膜11の含水率は減少する。
By the way, when the electrode reaction represented by the chemical reaction formula 1 occurs, hydrogen ions (H + ) ionized by the catalyst layer 12 on the anode electrode side move together with water in the
このように、電解質膜11の含水率が減少した状態(所謂、ドライアップ状態)となると、水素イオン(H+)が移動するための水が不足する。この結果、水素イオン(H+)が電解質膜11を透過するときの電気抵抗が大きくなって、燃料電池の発電効率が低下する可能性がある。したがって、一般的に、アノード電極に水素ガスを供給するときには、電解質膜11のドライアップ状態を解消するために、例えば、別途設けた加湿装置により加湿水(水蒸気やミスト)を付与した水素ガスが供給されるようになっている。
As described above, when the moisture content of the
一方、カソード電極側の触媒層13においては、前記化学反応式2によって表される電極反応が生じると、水が生成するため、この生成した水(以下、生成水という)を排水する必要がある。すなわち、生成水が触媒層13の近傍に溜まると、空気が触媒層13まで到達し難くなって、燃料電池の発電効率が低下する可能性がある。
On the other hand, in the catalyst layer 13 on the cathode electrode side, when the electrode reaction represented by the
これらのことに関し、ガス拡散層20の本体21は、上述したように、MEA10に対向する対向面側に開口の半径が大きい第1層21aを配置し、集電板30側に開口の半径が小さい第2層21bを配置するようにしている。これにより、アノード電極側に加湿水の付与された水素ガスが供給された場合には、対向面すなわち第1層21aの開口の半径が大きいため、水素ガスとともに加湿水を供給することができ、上述したドライアップ状態を適切に抑制することができる。一方、カソード電極側にて生成水が生じた場合には、まず、第1層21aに形成された多数の孔によって生成水が吸水され、その後、開口の半径が小さな第2層21bに形成された多数の孔によって生成水が吸水される。
With regard to these matters, the
すなわち、触媒層13の表面に生成水が存在する状況においては、まず、第1層21aによる毛細管現象が生じて、触媒層13の表面から第1層21a内に生成水が移動する。そして、第1層21a内に生成水が移動すると、開口の半径が小さくより強く毛細管現象が生じる第2層21bによって、第1層21a内の生成水が第2層21bに向けて移動するようになる。これにより、触媒層13の表面および第1層21a内に存在する生成水は、第2層21bによって吸水されるため、外部から導入される空気を触媒層13に対して良好に供給することができる。なお、第2層21bによって吸水された生成水は、図1に示したように、導入される空気の圧力によって、本体21から外部に排水される。このように、アノード電極側の保水とカソード電極側の排水が適切に行うことができるため、燃料電池における発電効率の低下を効果的に抑制することができる。
That is, in the situation where generated water exists on the surface of the catalyst layer 13, first, a capillary phenomenon due to the
以上の説明からも理解できるように、本実施形態によれば、ガス拡散層20を安価で軽量な非導電性の多孔質樹脂材料を用いて形成することができる。これにより、金属イオンの溶出がなく、燃料電池の耐久性を十分に確保することができる。また、非導電性の多孔質樹脂材料から形成されるガス拡散層20の導電性を確保するために、本体21のMEA10に対向する対向面上にて、優れた導電性を有するカーボンを用いたカーボン薄膜層22を形成することができる。そして、対向面の全面に対して導電性を有するカーボン薄膜層22を形成することにより、MEA10の触媒層12,13とカーボン薄膜層22との接触状態(接触面積)を良好に確保することができる。これにより、発電された電気(より詳しくは、電極反応によって発生した電子)を、アノード電極側の触媒層12からカーボン薄膜層22に、または、カーボン薄膜層22からカソード電極側の触媒層13に損失を低減して伝達することができる。
As can be understood from the above description, according to the present embodiment, the
また、カーボン薄膜層22を形成するにあたっては、その膜厚が本体21の対向面における開口の半径よりも小さくなるように形成される。これにより、形成されたカーボン薄膜層22が対向面における開口を塞ぐことを防止でき、本体21内を導通する燃料ガスおよび酸化剤ガスをMEA10(より具体的には、触媒層12,13)に対して十分に供給することができる。
In forming the carbon
また、形成されるカーボン薄膜層22に対して、同一材料であるカーボンから形成されるカーボン棒23を一体化して接合することができるため、カーボン薄膜層22とカーボン棒23との間の接触抵抗をほぼ「0」とすることができる。したがって、発電された電気(より詳しくは、電極反応によって発生した電子)を、カーボン薄膜層22からカーボン棒23に、または、カーボン棒23からカーボン薄膜層22に損失なく伝達することができる。そして、カーボン棒23は、本体21を貫通してカーボン薄膜層22と集電板30とを電気的に接続できるため、集電板30を介して、発電された電気を効率よく出力することができる。
In addition, since the
また、カーボン薄膜層22を形成するにあたっては、本体21に対してカーボン棒23を圧入した状態としておき、スパッタリング法によってカーボンを対向面に蒸着することによってカーボン薄膜層22を形成することができる。これにより、カーボン薄膜層22とカーボン棒23とを確実に一体化して接合させることができるとともに、均一の層厚を有する平滑なカーボン薄膜層22を形成することができる。したがって、MEA10の触媒層12,13とカーボン薄膜層22との接触状態(接触面積)をより良好に確保できて、ガス拡散層20の導電性を良好に確保することができる。また、均一の層厚を確保できるため、カーボン薄膜層22が本体21の対向面における開口を塞ぐことをより確実に防止することもできる。
In forming the carbon
また、カーボン棒23を複数設けることができる。これにより、カーボン棒23と集電板30との接触部位、言い換えれば、接触面積を増加させることができるため、カーボン棒23と集電板30との間の接触抵抗をより低減することができる。したがって、集電板30を介して、発電された電気をより効率よく出力することができる。
A plurality of
また、カーボン棒23を本体21に形成した貫通孔21c内に圧入することにより、カーボン棒23の本体21に対する変位を規制することができる。これにより、燃料電池スタックを形成した場合であっても、カーボン薄膜層22と集電板30とに対するカーボン棒23の接触状態(特に、カーボン棒23と集電板30との間の接触状態)を良好に維持することができる。したがって、発電された電気を長期間に渡り、効率よく出力することができる。
Moreover, the displacement of the
また、本体21を第1層21aと第2層21bとから形成することができるため、極めて容易にかつ安価にMEA10側と集電板30側とで、本体21における開口の半径を異ならせることができる。したがって、本体21は、MEA10における電極反応によって、特にカソード電極側で生じた生成水を触媒層13から離れた位置まで吸水することができる。また、本体21の対向面における開口の半径が大きくなることにより、カーボン薄膜層22が形成されても、開口が塞がれることを効果的に防止することもできる。したがって、本体21は、触媒層12,13に対して燃料ガス(水素ガス)または酸化剤ガス(空気)を良好に供給することができ、その結果、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
Moreover, since the
本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。 In carrying out the present invention, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
例えば、上記実施形態においては、単セルTを形成するMEA10の触媒層12,13に対して全面で接触するカーボン薄膜層22を形成し、このカーボン薄膜層22と集電板30とをカーボン棒23を介して電気的に接続して実施した。これに対して、本体21が非導電性の多孔質樹脂材料から形成されるものであるため、図3に示すように、絶縁体を用いて1つの触媒層12,13分割し、この分割された触媒層121,122,131,132に接触するように、絶縁体を用いて1つのカーボン薄膜層22を分割してカーボン薄膜層221,222を形成し、さらに、カーボン薄膜層221,222とカーボン棒23を介して電気的に接続されるように、絶縁体を用いて1つの集電板30を分割して集電板301,302を備えるようにして実施することも可能である。
For example, in the above embodiment, the carbon
このように、絶縁体により分割して、触媒層121,122,131,132、カーボン薄膜層221,222および集電板301,302を形成することにより、単セルTを電気的に分割することができる。これにより、例えば、外部回路による接続態様を適宜変更することによって、単セルT内にて電気的に直列、並列に接続したり、単セルT内にて電圧を異ならせたりすることが可能となる。したがって、上記実施形態における効果に加えて、例えば、燃料電池の設置スペースなどに制限がある場合であっても、1つの燃料電池で要求される電気を供給できるという効果が期待できる。
In this way, the single cell T is electrically divided by forming the catalyst layers 121, 122, 131, 132, the carbon thin film layers 221, 222, and the
また、上記実施形態においては、電解質膜11に触媒層12,13を一体的に形成するように実施した。しかし、ガス拡散層20のカーボン薄膜層22を形成した後、このカーボン薄膜層22上に触媒層12,13を一体的に形成し、電解質膜11を挟持するように実施することも可能である。なお、この場合には、触媒層12,13を予め、例えば、シート状に形成しておき、このシート状の触媒層12,13をカーボン薄膜層22上に貼り付けるようにするとよい。これにより、触媒層12,13とカーボン薄膜層22との間の接触抵抗をより低減することができる。
In the above embodiment, the catalyst layers 12 and 13 are integrally formed on the
また、上記実施形態においては、電解質膜11が水素イオン(H+)を選択的に透過するイオン交換膜から形成されるように実施した。また、ガス拡散層20の薄膜層として非金属のカーボン薄膜層22を形成して実施した。これにより、電解質膜11への金属イオンの溶出を防止して、燃料電池の耐久性を十分に確保するようにした。
Moreover, in the said embodiment, it implemented so that the
ところで、電解質膜を、アニオン(より具体的には、水酸化物イオン(OH−))を選択的に透過するイオン交換膜(例えば、トクヤマ社製ネオセプタ(登録商標)など)から形成する場合には、ガス拡散層のアノード電極に対向する側の薄膜層および導電部材を水素吸蔵合金を用いて形成するように実施することも可能である。この場合には、電解質膜中を水酸化物イオン(OH−)が移動するため、MEAの周辺環境がアルカリ性となる。これにより、金属の腐食が抑制されるため、電解質膜への金属イオンの溶出を防止することができて、燃料電池の耐久性を十分に確保することができる。 By the way, when the electrolyte membrane is formed from an ion exchange membrane (for example, Neoceptor (registered trademark) manufactured by Tokuyama Corporation) that selectively transmits anions (more specifically, hydroxide ions (OH − )). Can also be implemented so that the thin film layer and the conductive member on the side of the gas diffusion layer facing the anode electrode are formed using a hydrogen storage alloy. In this case, since the hydroxide ions (OH − ) move in the electrolyte membrane, the surrounding environment of the MEA becomes alkaline. Thereby, since corrosion of a metal is suppressed, elution of metal ions to the electrolyte membrane can be prevented, and the durability of the fuel cell can be sufficiently ensured.
また、上記実施形態においては、本体21を第1層21aと第2層21bとから形成するように実施した。すなわち、上記実施形態においては、第1層21aを形成する第1多孔質樹脂材料と第2層21bを形成する第2多孔質材料とを用いて、本体21を形成するように実施した。これに対して、本体21を単一の多孔質樹脂材料から形成して実施可能であることはいうまでもない。この場合には、開口の半径が同一であり、上述したカソード電極側にて発生した水に対する本体21の吸水特性が若干悪化する場合があるものの、上記実施形態と同様の効果が期待できる。なお、このように、単一の多孔質樹脂材料から本体21を形成する場合においても、例えば、開口の半径を集電板30側からMEA10側に向けて大きくして実施することが好ましい。
Moreover, in the said embodiment, it implemented so that the
また、上記実施形態においては、本体21を第1層21aと第2層21bの2層によって形成して実施した。しかしながら、第1層21aと第2層21bを含むものであれば、本体21を形成する層の数については2層に限定されるものではない。
Moreover, in the said embodiment, the
さらに、上記実施形態におけるガス拡散層20に関しては、例えば、外部から導入されたガスを流通させるための流路を形成して実施することも可能である。具体的には、ガス拡散層20の本体21における第1層21aに流路を形成するとよい。この場合、形成される流路としては、例えば、ガスの導入位置から導出位置に向けて延出する溝状の流路を形成するとよい。
Furthermore, with respect to the
10…MEA、11…電解質膜、12…触媒層(アノード電極側)、13…触媒層(カソード電極側)、20…ガス拡散層、21…本体、21a…第1層、21b…第2層、22…カーボン薄膜層、23…カーボン棒、30…集電板
DESCRIPTION OF
Claims (9)
非導電性の多孔質樹脂材料から形成されて、前記所定のガスを拡散させて導通する平板状の本体と、
前記本体の前記電極触媒層に対向する対向面に形成されて、この対向面における開口の半径よりも小さな膜厚とされた導電性を有する薄膜層と、
前記薄膜層と同一材料から形成されて、前記本体を貫通して前記電極触媒層と接触する前記薄膜層と前記集電体とを電気的に接続する導電部材とを備えていて、
前記薄膜層と前記導電部材とを一体的に接合したことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 It is disposed between an electrode catalyst layer constituting an electrode structure of a fuel cell and a current collector that collects electricity generated by the electrode structure, and diffuses a predetermined gas to the electrode catalyst layer. In the fuel cell gas diffusion layer to supply
A flat body formed of a non-conductive porous resin material, which diffuses the predetermined gas and conducts;
A conductive thin film layer formed on an opposing surface of the main body facing the electrode catalyst layer and having a thickness smaller than the radius of the opening on the opposing surface;
A conductive member formed of the same material as the thin film layer, electrically connecting the thin film layer and the current collector through the body and contacting the electrode catalyst layer;
A gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the thin film layer and the conductive member are integrally joined.
前記薄膜層は、
前記導電部材が前記本体を貫通した状態で、前記本体の前記対向面に形成されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 In the gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1,
The thin film layer is
A gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the conductive member is formed on the facing surface of the main body in a state of passing through the main body.
前記薄膜層は、
前記本体の前記対向面に蒸着によって形成されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 In the gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 2,
The thin film layer is
A gas diffusion layer for a fuel cell, which is formed by vapor deposition on the facing surface of the main body.
前記導電部材は、前記本体に対して複数設けられることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 In the gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1,
A gas diffusion layer for a fuel cell, wherein a plurality of the conductive members are provided for the main body.
前記導電部材は、棒状に形成されており、
前記本体に形成された複数の貫通孔に対して圧入されて複数設けられることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 In the gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 4,
The conductive member is formed in a rod shape,
A gas diffusion layer for a fuel cell, wherein a plurality of gas diffusion layers are press-fitted into a plurality of through holes formed in the main body.
前記薄膜層と前記導電部材とは、カーボンから形成されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 In the gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1,
The gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the thin film layer and the conductive member are made of carbon.
前記電極触媒層が層内で電気的に分割されており、
前記薄膜層および前記集電体を、前記分割された電極触媒層に対応して電気的に分割したことを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 In the gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1,
The electrocatalyst layer is electrically divided within the layer;
A gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the thin film layer and the current collector are electrically divided corresponding to the divided electrode catalyst layers.
前記本体は、
前記集電体から前記電極触媒層に向けて開口の半径が大きくなる多孔質樹脂材料から形成されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 In the gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 1,
The body is
A gas diffusion layer for a fuel cell, wherein the gas diffusion layer is formed of a porous resin material having an opening radius that increases from the current collector toward the electrode catalyst layer.
前記本体は、
前記電極触媒層側に配置されて開口の半径の大きい第1の多孔質樹脂材料から形成される第1層と、
前記集電体側に配置されて前記第1の多孔質材料よりも開口の半径の小さい第2の多孔質樹脂材料から形成される第2層とを含んで構成されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 The gas diffusion layer for a fuel cell according to claim 8,
The body is
A first layer disposed on the electrode catalyst layer side and formed from a first porous resin material having a large opening radius;
And a second layer formed of a second porous resin material disposed on the current collector side and having an opening radius smaller than that of the first porous material. Gas diffusion layer.
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